純液體飽和蒸汽壓測(cè)定實(shí)驗(yàn)的教學(xué)體會(huì)

劉振華 魯偉 邵則淮

【摘 要】純液體飽和蒸氣壓的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，有多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的教師采用通俗易懂的公式兼圖解的方式進(jìn)行講解原理，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)和注意事項(xiàng)，把難獲得的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)用啟發(fā)式及思考題方式來教授，達(dá)到了明顯的師生互動(dòng)教學(xué)效果。文章對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置中改進(jìn)部分作了分析，既可保證實(shí)驗(yàn)精度， 降低實(shí)驗(yàn)消耗費(fèi)用， 又能避免環(huán)境污染。

【關(guān)鍵詞】純液體飽和蒸汽壓測(cè)定實(shí)驗(yàn) ? ? 改進(jìn) ? ?靜態(tài)法則

純液體飽和蒸汽壓測(cè)定實(shí)驗(yàn)是物理化學(xué)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，由于它實(shí)用性強(qiáng)，理論和操作要求高，至今是許多高校必做的實(shí)驗(yàn)之一。

筆者在多年從事物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及教學(xué)工作中 ，在原有實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，對(duì)不適合及使用起來不方便的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行更新，經(jīng)過多屆學(xué)生的使用，取得了較好的教學(xué)效果。十多年來，筆者對(duì)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的新問題積極研究，在實(shí)驗(yàn)課的講解和指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過程中積累了一些經(jīng)驗(yàn)與同行們共享。

一、改進(jìn)方面

（一）傳統(tǒng)自制的水銀壓力計(jì)雖然讀數(shù)正確，但體積太大，所需水銀量也大，組裝時(shí)易產(chǎn)生不安全因素，學(xué)生使用不小心折斷或敲破玻璃管時(shí)，就會(huì)引起很大的回收及處理灑落在桌上和地上水銀的麻煩，整個(gè)安裝實(shí)驗(yàn)裝置很復(fù)雜?，F(xiàn)已改為DPCY-2C型飽和蒸汽壓壓力儀，經(jīng)多年使用效果很好，量程選擇靈活，系統(tǒng)連接方便，既安全又正確快速。

（二）改傳統(tǒng)的固定壓力溫降法為固定溫度升壓法，前者如減壓系統(tǒng)稍有漏氣就較難測(cè)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

（三）改自制簡(jiǎn)易的水俗溫度攪拌裝置為HK-1D型恒溫水槽，前者熱得快加熱不穩(wěn)定且水俗溫度場(chǎng)分布不均，自然冷卻速度慢，后者攪拌裝置和數(shù)顯溫度既美觀又方便調(diào)節(jié)和正確讀數(shù)。

二、實(shí)驗(yàn)原理

在一定溫度下， 與純液體處于平衡狀態(tài)時(shí)的蒸氣壓力， 稱為該溫度下的飽和蒸氣壓。 純液體的蒸氣壓是隨溫度變化的， 其關(guān)系可用 Clausius- Clapeyron方程式表示： ?dlnP/dT=△Hm/RT2。

式中P為液體在溫度T時(shí)的飽和蒸汽壓（Pa），T為熱力學(xué)溫度（K），△Hm為液體摩爾氣化熱（J·mol-1），R為氣體常數(shù)。溫度變化不大時(shí)，△Hm可視為常數(shù)，將上式積分可得：lnp=-△Hm/RT+A=-B/T+A。

式中A為積分常數(shù)，此數(shù)與壓力P的單位有關(guān)。由上式可見，若在一定溫度范圍內(nèi)，測(cè)不同溫度下的飽和蒸汽壓，以lnp對(duì)1/T作圖，可得一直線，直線的斜率為-△Hm/R， 而由斜率可求出實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)液體的平均摩爾氣化熱△Hm。

當(dāng)外壓不同，液體的沸點(diǎn)也不同，液體的蒸汽壓等于101.325KPa時(shí)的沸騰溫度稱為液體的正常沸點(diǎn)。從圖中也可求得該液體的正常沸點(diǎn)。

本次實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)法測(cè)定環(huán)己烷的飽和蒸汽壓，通常是用平衡管進(jìn)行測(cè)定的。平衡管由 A 球和 U 形管 B、C 連接而成（如圖1所示），待測(cè)物質(zhì)置于球管內(nèi)，U形管中放置被測(cè)液體，將平衡管和抽氣系統(tǒng)、壓力計(jì)連接，在一定溫度下，當(dāng)U形管中的B、C液面在同一水平時(shí)，表明U形管兩臂液面上方的壓力相等，記下此時(shí)的溫度和壓力，則壓力計(jì)的示值就是該溫度下液體的飽和蒸汽壓，或者說，所測(cè)溫度就是該壓力下的沸點(diǎn)?？梢姡闷胶夤芸梢垣@得并保持體系中為純?cè)嚇拥娘柡驼羝?，U形管中的液體起液封和平衡指示作用。

圖1 平衡管示意圖

本實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.連冷凝管的平衡管;2.攪拌器;3.溫度計(jì);4冷阱;5.DPCY-2C型飽和蒸汽壓壓力儀;6.緩沖儲(chǔ)氣罐;7.接真空泵（G為抽氣活塞;H為放空活塞）

三、靜態(tài)法測(cè)定原理講解

（一）講解時(shí)一定要特別強(qiáng)調(diào)液封有兩個(gè)作用：

1.阻止C管上部的空氣進(jìn)入A球內(nèi);

2.讀數(shù)時(shí)起平衡指示作用，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)無論何時(shí)都要保持液封的存在。

（二）實(shí)驗(yàn)時(shí)有三種情況

1.C管液面高于B管液面：

C面>B面，此時(shí)液體充分沸騰，C管液面高于B管h高度，B、C二管取一個(gè)水平等壓面，則PC=P外+ρgh=PB=PA= P飽。式中P外對(duì)應(yīng)的是真空泵抽空到緩沖儲(chǔ)氣罐中的壓力，ρ是待測(cè)液體的密度，P飽是某一溫度下純液體達(dá)到氣液相平衡時(shí)的飽和蒸汽壓。

2.C管液面等于B管液面：則PC=P外=PB=PA = P飽

根據(jù)靜態(tài)法原理要使B、C二管相平才能讀數(shù)，而PA在一定溫度下是個(gè)定值。因此要使h=0成立，必須改變P外，在這里應(yīng)增大P外，由于是減壓系統(tǒng)，增大P外意味著減壓的程度小一點(diǎn)，具體操作時(shí)稍微轉(zhuǎn)動(dòng)H放空活塞漏入小量空氣就會(huì)觀察到B、C二管相平，快速讀出此時(shí)的T和P表，而真實(shí)的P飽=P外=P大氣壓-P表，此時(shí)應(yīng)快速調(diào)高恒溫槽溫度，等到達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)液體再次沸騰，再次稍微轉(zhuǎn)動(dòng)H放空活塞漏入小量空氣就會(huì)觀察到B、C二管相平，這樣就能獲得第二組數(shù)據(jù)，依次獲得40℃，45℃，50℃，55℃，60℃，65℃，70℃，75℃對(duì)應(yīng)下的T和P表。

3.C管液面低于B管液面：

C面B面。本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵就是始終使C面≥B面，具體操作是漏入空氣使BC相平，讀數(shù)后立即①調(diào)高水俗溫度;②減壓。本實(shí)驗(yàn)選擇前者（后者較難控制，對(duì)操作控制好的實(shí)驗(yàn)者本次實(shí)驗(yàn)只需減壓一次就可。）

（三）大氣壓下的沸點(diǎn)測(cè)定

幾乎所有的實(shí)驗(yàn)教材都沒有說明具體怎么操作，只是指明當(dāng)體系完全與大氣相通時(shí)（壓力計(jì)讀數(shù)為0KPa），記錄B、C液面相平時(shí)的水俗溫度。對(duì)此學(xué)生們很有困難，不知如何下手，因前面的數(shù)據(jù)都是通過漏入小量空氣使B、C相平后讀數(shù)的，可現(xiàn)在減壓裝置的去除已無法漏入空氣，但必須使B、C相平才能讀數(shù)。

我們把這樣的測(cè)定作為實(shí)驗(yàn)思考題來講解的，首先提示環(huán)己烷大氣壓下的沸點(diǎn)通常在80℃～81℃，一切想增加或減少外壓的方法是無效的;其次提醒大家設(shè)計(jì)的方法必須符合原理且可操作性，然后要求學(xué)生在前面做數(shù)據(jù)的同時(shí)要設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案，尤其是在等待升溫的過程中同組同學(xué)可相互討論。就這樣，學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)積極性就調(diào)動(dòng)起來了，他們開始動(dòng)腦筋積極思考并相互討論，達(dá)到了本次實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

經(jīng)過歸納與匯總，學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)了以下幾種方案來測(cè)定大氣壓下環(huán)己烷的沸點(diǎn)：

1.在做完了70℃下氣液相平衡時(shí)的T和P表后，實(shí)驗(yàn)者要迅速重新設(shè)定水的溫度為81℃，并在仔細(xì)觀察升溫過程中要緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)H放空活塞漏入小量空氣，在接近79℃時(shí)必須使壓力測(cè)量?jī)x讀數(shù)為零，此時(shí)再觀察到B、C相平后就可讀數(shù)。

2.在做完了70℃下氣液相平衡時(shí)的T和P表后，實(shí)驗(yàn)者要一次性地轉(zhuǎn)動(dòng)H放空活塞與大氣相通并迅速重新設(shè)定水的溫度為81℃，待水的溫度達(dá)到81℃時(shí)樣品液體是充分沸騰的，此時(shí)C管液面高于B管液面，必須重新設(shè)定水的溫度為79℃，這樣加熱器就不會(huì)再工作了，只要慢慢等待自然冷卻，待觀察到B、C相平后就可讀數(shù)。

3.在做完了70℃下氣液相平衡時(shí)的T和P表后，實(shí)驗(yàn)者要一次性地轉(zhuǎn)動(dòng)H放空活塞與大氣相通并迅速重新設(shè)定水的溫度為81℃，待水的溫度達(dá)到81℃時(shí)樣品液體是充分沸騰的，此時(shí)C管液面高于B管液面，你必須把[控溫]按鍵切換到[設(shè)定]按鍵，這樣加熱器就不會(huì)再工作了，你只要慢慢等待自然冷卻，待觀察到B、C相平后就可讀數(shù)。

4.在做完了70℃下氣液相平衡時(shí)的T和P表后，實(shí)驗(yàn)者要一次性地轉(zhuǎn)動(dòng)H放空活塞與大氣相通并迅速重新設(shè)定水俗溫度為81℃，待水俗溫度達(dá)到81℃時(shí)樣品液體是充分沸騰的，此時(shí)C管液面高于B管液面，必須重新設(shè)定水俗溫度為79℃，這樣加熱器就不會(huì)再工作了，只要慢慢加入冷水冷卻，待觀察到B、C相平后就可讀數(shù)。

通過比較，學(xué)生們測(cè)定的大氣壓下的環(huán)己烷沸點(diǎn)數(shù)據(jù)在80℃～81℃，符合實(shí)際數(shù)據(jù)。為何要用冷卻的方法才能有效呢？這是因?yàn)樗臏囟冗_(dá)到81℃時(shí)C管液面高于B管液面，要使B、C管相平，這不正好是前面40℃，45℃，50℃，55℃，60℃，65℃，70℃實(shí)驗(yàn)后升溫的逆過程嗎？

四、數(shù)據(jù)記錄和處理

（一）大氣壓力：平均值：102.56KPa

表一 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理表

次數(shù) 溫 ? ? 度 壓力測(cè)

量?jī)x讀

數(shù) 環(huán)已烷的飽和蒸氣壓

設(shè)定

t/℃ T/K 1/T103 E/KPa p/KPa lnp

1 40 313.14 3.193 -79.45 23.11 3.14

2 45 318.13 3.143 -76.41 26.15 3.264

3 50 323.11 3.095 -67.1 35.46 3.568

4 55 328.13 3.048 -60.78 41.78 3.732

5 60 343.12 3.002 -52.23 50.33 3.919

6 65 338.11 2.959 -42.79 59.77 4.09

7 70 343.11 2.915 -31.78 70.78 4.26

8 80.23 353.38 2.83 0 102.54 4.63

圖3 lnP-1/T 關(guān)系圖

（二）在坐標(biāo)紙上繪制lnP-1/T關(guān)系圖，從圖3中可求出A和B，從而求出實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)的平均汽化熱△Hm及t正常

A=16.37，B=4.150

△Hm=4.150×8.314=34.50KJ/mol， ? 正常沸點(diǎn)時(shí)，P=101.325KPa，所以t正常=1/2.832×103-273.15=79.98℃，通過查文選T正常=80.75℃，實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差=0.95%。

【參考文獻(xiàn)】

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